吸附式大气水利用技术：清洁低碳的供热和供冷新范式
吸附式大气水利用技术：清洁低碳的供热和供冷新范式
在全球能源转型的大背景下，探寻清洁高效可持续的冷热供应方式正成为一种趋势，吸附式大气水利用技术作为一种潜在的解决方案需要得到更广泛的关注。
导 读
人类的生活离不开能源，人口增长和社会进步促使人们对自然资源的需求日益增长，在用户侧能源供应中，供热和供冷占据了很大份额，需求和供应之间的不平衡正推动全球能源转向低碳节能可持续的发展方向。吸附式大气水利用技术能够通过吸附剂对水分子的吸附和解吸过程，实现可持续的热量和冷量储存和供应，不受时空和气候限制，为全球能源革新提供了新思路。
图1 基于吸附式大气水利用技术实现供热和供冷的概念、方法和应用
吸附式大气水利用技术主要包括吸附剂对水分子的吸附和解吸两方面，吸附过程由于范德华力、静电力等作用或者氢键、化学键等的形成，存在放热反应，展现出良好的加热潜力；解吸过程需要外部输入热量，以克服水分子和吸附剂之间的相互作用，其吸热反应能够消耗需要被遣散的热量，达到被动冷却的效果。传统吸附剂如硅胶、分子筛或吸湿盐，因其较强的亲水性，通常用于吸附加热研究。近年来，金属有机框架和水凝胶等材料，由于其较低的再生温度，在电子器件热管理和光伏板散热研究中展现出卓越的冷却性能。盐基复合吸附剂具有较高的吸水能力和反应焓，也常用于吸附加热和解吸冷却研究中。
虽然吸附式大气水利用技术在冷热供应的可行性已经得到验证，但现有研究成果中的储能密度和功率密度与实际需求之间仍存在差距。储能密度和功率密度受吸附剂堆积密度的制约、热/冷量无法长期连续供给、盐基吸附剂可能引起的泄漏和腐蚀问题、初期投入成本高、以及使用太阳能、废热等作为解吸热源的不稳定性和不可控性等，都是使用吸附式大气水利用技术时亟待解决的现实问题。
针对上述问题，本文主要从吸附剂的改良和系统的优化两个方面来推动吸附式大气水利用技术的发展。在吸附剂材料方面，通过增加吸湿位点、提高材料的孔隙率、构建迂曲度低的孔道结构等方法提升材料的吸附量和吸附动力学。在系统设计层面，应以应用场景为导向，通过合理布置吸附床内部流道、减少解吸过程的热损失、多级热回收等方式，可以提高能量利用效率；采用转轮、多吸附床循环切换、多能互补以及与热泵相结合等方法，可以实现热/冷量的连续供给。
随着空调、食品和药品保存的需求日益增长，对于冷量的需求已经不亚于热量，吸附剂解吸冷却制冷方式得到了广泛的关注。基于低再生温度需求的吸附剂的解吸冷却可广泛应用于人体与电子器件的散热等多种场景，以全年持续运行的数据中心为例，其耗电产生的余热体量很大且相对稳定，但温度较低，余热的回收和利用是一项挑战。而吸附式大气水利用技术恰恰能够利用这部分低品位余热，通过吸附剂的解吸过程对数据中心进行冷却，同时后续吸附过程释放的热量可以用来满足周边建筑的供暖和热水需求，从而实现能量的高效利用同时提高热经济性。
总结与展望
吸附式大气水利用技术在应对冷热量供需失衡问题上展现出巨大的的潜力，尽管该技术目前仍面临一些亟待克服的难题，但能量密度高、能量来源广、清洁无污染、安全可持续等显著优势正推动其走向更广阔的应用领域。吸附式冷热供应能够充分利用太阳能等可再生能源，减少对化石燃料的依赖，在节能减排和分布式能源供应方面具有独特优势，有望助力建筑节能和低碳生活。相信在不久的将来，吸附式大气水利用技术的蓬勃发展能够推动建设一个更完整的多元系统，实现能源、水资源、大气以及食物等多领域的集成应用，为可持续发展贡献力量。